分子生物學(xué) 課件 第二章 2-染色體和DNA的結(jié)構(gòu)

第二章

基因、染色體與DNAGenes，ChromosomeandDNA2.1 基因概念的演變與發(fā)展2.2 染色體2.3 DNA的結(jié)構(gòu)2.4 DNA的復(fù)制2.5 DNA的損傷與修復(fù)2.2染色體遺傳物質(zhì)載體凡是具有細(xì)胞形態(tài)的所有生物其遺傳物質(zhì)都是DNA，細(xì)胞內(nèi)的DNA主要在染色體上同一物種內(nèi)數(shù)目恒定同一物種內(nèi)每條染色體所含的DNA的量一定不同物種數(shù)目不同但不同染色體或不同物種之間的變化很大本節(jié)掌握要點(diǎn)組蛋白的種類及特性幾種常見的非組蛋白原核生物及真核生物基因組結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)作為遺傳物質(zhì)，染色體具備的特征分子結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定能自我復(fù)制，使親子代間保持連續(xù)性能指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，控制整個生命過程能產(chǎn)生可遺傳變異真核細(xì)胞的染色體都是二倍體，而性細(xì)胞即生殖細(xì)胞的染色體的數(shù)目是體細(xì)胞的一半，稱為單倍體2.2.1

染色體的特征2.2.2

染色體組成組蛋白非組蛋白磷酸脫氧核糖堿基嘌呤嘧啶腺嘌呤A鳥嘌呤G胞嘧啶C胸腺嘧啶T蛋白質(zhì)（真核）DNA染色體原核僅含非組蛋白2.2.3真核細(xì)胞染色體染色體位于真核細(xì)胞核內(nèi)一般染色體只有在細(xì)胞有絲分裂過程中，才可在光學(xué)顯微鏡下觀察到在細(xì)胞生活周期中占較長時間的分裂間期，染色體以較細(xì)且松散的染色質(zhì)形式存在于細(xì)胞核中小麥染色體2n=6x=42A,B,DABD小麥A，B組染色體小麥3B染色體的堿基數(shù)及標(biāo)記流失細(xì)胞儀分開染色體，中國春3B,小麥基因組中最大的染色體，構(gòu)建文庫，測序法國完成3B染色體測序，2007,Science67,9683BBAC

克隆

995Mb，水稻基因組的2倍，玉米的1/31036contigs,1443markers104kb/基因,70-75%geneinisland(3/island)2012，中國完成了小麥A、D組來源種的測序，在Nature發(fā)表2篇論文水稻各條染色體的堿基數(shù)及功能基因數(shù)染色體編號長度/Mb估計(jì)的基因數(shù)染色體編號長度/Mb估計(jì)的基因數(shù)14341402363306336360643526365302308631233573022458281957922.715701022.715911128171112281697總計(jì)350.4Mb29102物種單倍體染色體物種單倍體染色體物種單倍體染色體人23猿猴21牛30狗39豬19馬32家鼠20大鼠21荷蘭豬32兔22雞39燕麥21花生20大豆20蠶28高粱10小麥21貓19線蟲11/12（M/F）酵母8~16黑麥7洋蔥8大麥7水稻12玉米10擬南芥5番茄12煙草24菜豆11油菜（甘藍(lán)）197豌豆7馬鈴薯24家蠅6果蠅4細(xì)菌1棉花（陸地）26不同生物的染色體數(shù)目2.2.3.1

蛋白質(zhì)染色體上的蛋白質(zhì)主要包括組蛋白和非組蛋白A.

組蛋白染色體的結(jié)構(gòu)蛋白,與DNA組成核小體,可用2mol/LNaCl處理染色質(zhì)，分開組蛋白與DNA，經(jīng)離子交換層析柱分離據(jù)凝膠電泳性質(zhì)，可將組蛋白分為H1、H2A、H2B、H3及H4。H3、H4富含精氨酸，H1富含賴氨酸，H2A、H2B介于兩者之間；大量側(cè)鏈帶正電荷氨基酸堿性蛋白真核細(xì)胞染色體上的組蛋白成分種類染色質(zhì)中的位置染色質(zhì)中的比例相對分子質(zhì)量氨基酸數(shù)目分離難易度保守性H121000223易不保守

0.5接頭H2A14500129較難較保守1核心H2B13800125較難較保守1核心H315300135最難最保守1核心H411300102最難最保守1核心

A.組蛋白的性質(zhì)進(jìn)化上的極端保守不同生物組蛋白的組成十分相似；牛、豬、大鼠的H4氨基酸序列完全相同牛的H4序列與豌豆序列相比只有兩個氨基酸的差異（豌豆H4中的異亮氨基酸60→纈氨酸60，精氨酸77→賴氨酸77）H3的保守性也很大，鯉魚與小牛胸腺的H3只差一個氨基酸，小牛胸腺與豌豆H3只差4個氨基酸無組織特異性到目前為止，僅發(fā)現(xiàn)魚類、鳥類及兩棲類紅細(xì)胞染色體不含H1而含H5，精細(xì)胞染色體的組蛋白是魚精蛋白肽鏈上氨基酸分布的不對稱性堿性氨基酸集中分布在N端，大部分疏水基團(tuán)分布在C端不同組蛋白分子中所含的堿性氨基酸比較（占氨基酸的%）堿性氨基酸H1H2AH2BH3H4

賴氨酸29.510.916.09.610.8精氨酸1.39.36.413.313.7堿性氨基酸H1H2AH2BH3H4

賴氨酸29.510.916.09.610.8精氨酸1.39.36.413.313.7組蛋白的修飾作用甲基化、乙基化、磷酸化及ADP核糖基化等，與表觀遺傳（Epigenetics)

相關(guān)

修飾發(fā)生在蛋白質(zhì)翻譯之后，基因序列并無變化！發(fā)生在細(xì)胞周期的特定時間和組蛋白的特定位置上組培細(xì)胞H1的磷酸化在S期，其它細(xì)胞在G2后期H2B的已基化在賴氨酸殘基上

富含賴氨酸的組蛋白H5賴氨酸24%、丙氨酸16%、絲氨酸13%、精氨酸11%鳥類、兩棲類、魚類紅細(xì)胞分離的H5均有種的特異性B.非組蛋白非組蛋白的多樣性非組蛋白的量大約是組蛋白的60%～70%種類卻很多，約在20-100種之間，其中常見的有15-20種,如與細(xì)胞分裂有關(guān)的收縮蛋白、骨架蛋白、核孔復(fù)合物蛋白以及肌動蛋白、肌球蛋白、微管蛋白、原肌蛋白等，也可能是染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)成分非組蛋白的組織專一性和種屬專一性幾類常見的非組蛋HMG蛋白（highmobilitygroupprotein）一類能用低鹽（0.35mol/LNaCl）溶液抽提、能溶于2%三氯乙酸、相對分子量都在3.0×104以下的非組蛋白。相對分子質(zhì)量小，凝膠電泳中的遷移速度快富含賴氨酸、精氨酸、谷氨酸和天冬氨酸能與DNA結(jié)合也能與H1作用，但不牢固可能與DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)有關(guān)DNA結(jié)合蛋白與DNA結(jié)合緊密只有2mol/LNaCl和5mol/L尿素才能把這些蛋白解離，分子量較低，約占非組蛋白的20%，染色質(zhì)的8%，可能是一些與DNA的復(fù)制或轉(zhuǎn)錄有關(guān)的酶或調(diào)節(jié)物質(zhì)A24非組蛋白與組蛋白溶解性相似，C端與H2A相同有2個N端，一個與H2A相同，另一個與泛素相同位于核小體內(nèi)，功能不祥2.2.3.2

染色質(zhì)和核小體染色質(zhì)纖維是由許多核小體連成的念珠狀結(jié)構(gòu)間接證據(jù)：染色質(zhì)DNA的Tm值比自由DNA高在染色質(zhì)狀態(tài)下，有DNA聚合酶和RNA聚合酶催化的DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄活性大大低于在自由DNA中的反應(yīng)DNA酶對染色質(zhì)DNA的消化遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于對純DNA的作用結(jié)論：在染色質(zhì)中DNA與蛋白質(zhì)分子相互作用

直接證據(jù)：從電子顯微鏡下觀察到染色質(zhì)的狀態(tài)核酸酶處理染色質(zhì)后的電泳圖顯示染色質(zhì)片段中球形顆粒的長度為200bp或200bp的整數(shù)倍核小體的組裝和染色質(zhì)的壓縮包裝核小體（nucleosome）的組裝核小體是由H2A、H2B、H3、H4各兩個分子生成的八聚體和由大約200bp的DNA組成；八聚體在中間，DNA分子盤繞在外，H1在核小體的外面用核酸酶水解核小體后只產(chǎn)生146bp核心顆粒核小體146bpDNA 2XH3,H4,H2A,H2BH4H2BH2AH3染色體的包裝直徑2nm的DNA雙螺旋鏈繞組蛋白形成直徑11nm的核小體"串珠"結(jié)構(gòu)10nm纖維：200bpDNA完全伸展長度為68nm，形成核小體后僅為11nm（核小體直徑），其長度壓縮了6-7倍，主要在低離子強(qiáng)度和去H1組蛋白的條件下產(chǎn)生,電鏡下可清晰地看到染色體一級包裝的核小體纖維。30nm螺線管纖維：增大離子強(qiáng)度，并保留H1，通過電鏡可觀察到10nm纖維會折轉(zhuǎn)成較粗的30nm纖維，這種纖維即染色體DNA的二級包裝；每圈含6個核小體壓縮比為6環(huán)狀螺線管：30nm纖維纏繞在一個由某些非組蛋白構(gòu)成的中心軸骨架上形成的.即螺線管纖維相隔一定間距的某些區(qū)段被“拉攏”固定在蛋白軸上,從而產(chǎn)生了許多從骨架上伸出的纖維環(huán)。染色體包裝：環(huán)狀螺線管纖維進(jìn)一步以某種方式盤繞、折疊，最終完成細(xì)胞生長和繁殖的不同時期的染色體包裝，估計(jì)壓縮200-240倍經(jīng)各級包裝后染色體DNA總共被壓縮了數(shù)千倍，這樣,才能使每個染色體中幾厘米長（如人染色體的DNA分子平均長度為4cm）的DNA分子容納在直徑數(shù)微米（如人細(xì)胞核的直徑為6-7μm）的細(xì)胞核中。M2.2.12.2.3.3真核生物基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基因組龐大存在大量重復(fù)序列基因組大部分為非編碼序列轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子斷裂基因，有內(nèi)含子存在大量順式作用元件存在大量的DNA多態(tài)性具有端粒結(jié)構(gòu)2.2.4

原核生物染色體的組成大腸桿菌,一條染色體，4639kb，4.64Mb具DNA結(jié)合蛋白，如HU蛋白與真核H2B類似，壓縮DNA、刺激復(fù)制；H蛋白與H2A類似，促進(jìn)雙鏈互補(bǔ)、復(fù)性不能與DNA固定結(jié)合形成染色體結(jié)構(gòu)，細(xì)菌中DNA結(jié)合蛋白數(shù)量少、基因突變不影響染色體結(jié)構(gòu)或結(jié)合特性細(xì)菌染色體的骨架結(jié)構(gòu)（Scaffold），中心為DNA結(jié)合蛋白質(zhì)2.2.4.1大腸桿菌主要特點(diǎn)細(xì)菌染色體的骨架（Scaffold）結(jié)構(gòu)

(類核結(jié)構(gòu)）2.5.5.2.原核生物基因組及其基因

原核生物基因組小，大多只一條染色體，DNA含量少。從基因組組織結(jié)構(gòu)來看，原核細(xì)胞DNA有如下特點(diǎn)：1）結(jié)構(gòu)簡單

原核生物DNA分子絕大部分是用來編碼蛋白質(zhì)的，只有非常小的一部分不轉(zhuǎn)錄，與真核DNA的冗余現(xiàn)象不同。而且這些不轉(zhuǎn)錄的DNA序列通常是控制基因表達(dá)的序列部分原核生物的基因組及基因數(shù)（單拷貝基因多）1kb/基因霍亂革蘭氏陰性細(xì)菌2）存在轉(zhuǎn)錄單元（多順反子）功能相關(guān)的RNA和編碼蛋白質(zhì)基因，集中在基因組的一個或幾個特定部位，形成轉(zhuǎn)錄單位，可被一起轉(zhuǎn)錄為含有多個mRNA的分子，叫多順反子mRNAPolycistronicmRNARNA聚合酶(多順反子mRNA)高等生物的葉綠體基因組也具有多順反子3）重疊基因（overlappinggene）概念：同一段DNA能攜帶兩種不同的蛋白質(zhì)信息發(fā)現(xiàn)：1977，Sanger第一次完成ΦX174（單鏈RNA病毒）的全序列分析

9個基因，部分是重疊的重疊基因是生物進(jìn)化過程中自然選擇的結(jié)果第二章

基因、染色體與DNAGenes，ChromosomeandDNA2.1 基因概念的演變與發(fā)展2.2 染色體2.3 DNA的結(jié)構(gòu)2.4 DNA的復(fù)制2.5 DNA的損傷與修復(fù)DNA：脫氧核糖核酸，基本單位是脫氧核苷酸2.3.1DNA及其化學(xué)組成含氮堿基磷酸2-脫氧-D-核糖1、含氮堿基腺嘌呤A鳥嘌呤G胞嘧啶C胸腺嘧啶T2、戊糖（DNA含脫氧核糖；RNA以核糖取代了脫氧核糖）3、核苷（nucleotide）（嘌呤或嘧啶與糖相連后形成）糖苷鍵Glycosidicbond核糖是戊糖RNA－核糖核苷

DNA－脫氧核糖核苷嘧啶的1位N原子、嘌呤的9位N原子4、核苷酸（nucleotideacid）:核苷的磷酸酯核糖核苷酸(NMP)三磷酸dNTP脫氧核糖核苷酸dNMP5.DNA一級結(jié)構(gòu)：4種核苷酸的連接及其排列順序5′3′結(jié)構(gòu)式5′

ACTGCATAGCTCGA3′字母式線條式表示方式堿基可以任意順序排列，構(gòu)成了DNA分子的多樣性例如：某DNA分子的一條多核苷酸鏈有100個不同的堿基組成，它們的可能排列方式就是4100

核苷酸序列對DNA高級結(jié)構(gòu)的形成有很大影響。例如：B-DNA中多聚(G-C)區(qū)易出現(xiàn)左手螺旋DNA(Z-DNA)反向重復(fù)的DNA片段易出現(xiàn)發(fā)卡式結(jié)構(gòu)等2.3.2DNA的二級結(jié)構(gòu)一、DNA雙螺旋模型的提出

（doublehelixmodel）1938.W.T.Astbury首次用X射線分析DNA

發(fā)現(xiàn)DNA是一種規(guī)則螺旋結(jié)構(gòu)1950ChargaffA+G/T+C=1A+T≠G+C1952AlexanderTodd

發(fā)現(xiàn)了核苷酸和核苷酸之間由磷酸二酯鍵聯(lián)接1952M.H.F.Wilkins&RosalindFranklin

得到了高度定向的DNA纖維的X-射線照片

發(fā)現(xiàn)原子長軸存在0.34和3.4nm兩種周期性DNA分子密度測定表明螺旋由兩條多核苷酸鏈組成，且直徑恒定（2nm)。DNA纖維的X射線衍射圖1953年Watson和Crick提出右手雙螺旋模型DNA分子由兩條反向平行多核苷酸鏈圍繞同一中心軸構(gòu)成的雙螺旋結(jié)構(gòu)。雙螺旋表面形成大溝和小溝雙螺旋直徑2nm，堿基平面垂直于螺旋縱軸兩條鏈都由磷酸和脫氧核糖以3’，5’-磷酸二酯鍵相連而成，它們位于螺旋的外側(cè)。嘌呤堿基與嘧啶堿基位于螺旋的內(nèi)側(cè)，糖基平面與堿基平面相垂直兩條多核苷酸鏈依照堿基互補(bǔ)配對的原則形成的氫鍵相連接每一單鏈具有5‘→3’極性以中心為軸，向右盤旋

堿基配對示意圖堿基互補(bǔ)配對原則:嘌呤與嘧啶配對(A=T/G≡C)dA-dTBasePairdG-dCBasePair二、影響雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素

氫鍵

(Hydrogenbond4~6kc/mol)

消除DNA單鏈上磷酸基團(tuán)間的靜電斥力

弱鍵,可加熱解鏈氫鍵堆積,有序排列(線性,方向)

磷酸酯鍵(phosphoesterbond80~90kc/mol)0.2mol/LNa+

生理鹽條件

強(qiáng)鍵,需酶促解鏈*維持穩(wěn)定性的因素二、雙螺旋結(jié)構(gòu)的基本形式

B-DNA：相對濕度為92％所得到的DNA鈉鹽纖維右手螺旋：A、C、D、E等左手螺旋：Z等DNA結(jié)構(gòu)的多態(tài)性：幾種不同的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)以及同一種雙螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)參數(shù)存在差異的現(xiàn)象原因：多核苷酸鏈的骨架含有許多可轉(zhuǎn)動的單鍵磷酸二酯鍵的兩個P-O鍵、糖苷鍵、戊糖環(huán)各個鍵左手螺旋DNAZ-DNA(Left-HandedDoubleHelix)

(G/C)6

1979.Richl

人工合成6bp(G/C)6核苷酸片段l

獲得寡聚核苷酸的crystalgraphicofx-rayLeft-handeddoublehelixDNA二級結(jié)構(gòu)的幾種構(gòu)象A-DNAB-DNAZ-DNAABZ大溝寬小溝窄小溝窄大溝變深小溝寬深大溝不存在小溝窄而深每輪堿基對數(shù)：111012螺旋方向：右右左A-DNA的重要意義：基因表達(dá)B-DNAA-DNAZ-DNA可能的功能

基因表達(dá)調(diào)控

B-DNA轉(zhuǎn)錄鄰近調(diào)控（轉(zhuǎn)錄區(qū)與調(diào)節(jié)區(qū)相鄰）Z-DNA不轉(zhuǎn)錄控制區(qū)－啟動子遠(yuǎn)離調(diào)控（轉(zhuǎn)錄區(qū)可在上千個堿基對外）B-DNA不轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)區(qū)負(fù)超螺旋程度低，無扭曲張力Z-DNA可能轉(zhuǎn)錄負(fù)超螺旋程度高，有扭曲張力2.3.3

DNA的高級結(jié)構(gòu)DNA的三級結(jié)構(gòu)：DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)一步盤曲形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。以超螺旋最為常見負(fù)超螺旋模型（多見）正超螺旋1.超螺旋（superhelixORsupercoil）●

最早在SV40和多瘤病毒中發(fā)現(xiàn)●超螺旋是所有線性或環(huán)形DNA的共有的重要特征超螺旋形成示意末端固定的線型雙螺旋額外的張力不能釋放雙螺旋以扭曲方式緩解應(yīng)力，形成超螺旋L

連接數(shù)（Linkingnumber）

雙鏈DNA的交叉數(shù)，不發(fā)生鏈斷裂時，L為定值T

盤繞數(shù)（Twistingnumber）雙鏈DNA的纏繞數(shù)，初級螺旋圈數(shù)W超盤繞數(shù)（Writhingnumber）直觀上為雙螺旋在空間的轉(zhuǎn)動數(shù)W=

負(fù)值（negativesuperhelix）W=

正值(positivesuperhelix）

超螺旋發(fā)生的規(guī)律l

B-DNA是力學(xué)上穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)（10bp/helix）l

雖交叉數(shù)減少，但需轉(zhuǎn)換為一種應(yīng)力，以維持10bp/helix的螺旋數(shù)，l

應(yīng)力的重新分配或在B-DNA狀態(tài)中保留一單鏈區(qū)或螺旋力將維持B-DNA的右旋結(jié)構(gòu),形成超螺旋

420bpL=42T=42W=0無應(yīng)力松弛狀態(tài)應(yīng)力的分配L=36T=36W=0L=36T=42W=-6鏈松弛后再結(jié)成環(huán)鏈未松弛再結(jié)成環(huán)松開6圈螺旋△L=－6

＊

DNA在水溶液中,構(gòu)型偏B型狀態(tài)＊

DNA以10.5bp/helix為最穩(wěn)定構(gòu)型＊

小于10.5bp/helix向正超螺旋發(fā)展(緊縮態(tài))＊

大于10.5bp/helix向負(fù)超螺旋發(fā)展(松弛態(tài))

天然的DNA都是負(fù)超螺旋但一些生命活動過程中存在正超螺旋B-DNA的變化情況：2.三螺旋DNA形成條件

¤

第二股中間鏈必須是嘌呤鏈

¤

第三股鏈至少長于八個核苷酸第三條鏈位于B-DNA的

Majorgroove中PolyT/A

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PolyT/A

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